PCIe和NVMe实现存储现代化

卡尔·保尔森

在这个数字转型的时代，媒体领域发生了许多变化，制作设施面临着是否走向IP的决策，同时还要努力确定UHDTV1（4K）及以上内容制作的影响。

2019年消费电子展表明4K电视作为硬件已经基本普及，4K市场已趋近成熟，同时明确地将8K（UHD-TV2）视为未来电视显示屏的下一个巨变。当然，伴随8K到来的是创作和分发这些内容的要求，而随着这个循环的持续，在如何有效地管理基础设施所需的更改方面会发生重大的变化。

显然，制作这些新内容所需要的数据量不会变小。此外，制作8K优质内容的需求，可能意味着以高动态范围（HDR）拍摄，而且分辨率至少要达到4K，才能实现更大屏幕的价值，这将在相当长一段时间内依赖分辨率提升器。

多向扩展性

在过去十年中，与SaaS、AI、VR、社交媒体和图像分辨率相关的应用要求系统在多个维度扩展。峰值需求不断变化，迫使数据集及其管理出现前所未有的增长。为处理这些新的数据密集型工作量，要求相称的新框架，这是传统解决方案集所无法实现的。

系统资源现在正在被分离，允许它们独立地扩展并转换为服务，而不是以前对待它们的方式。那些依赖于“共享存储”模式的人正在发现，存在I/O（输入/输出）性能不足且延迟过大（即吞吐量边界），难以满足新要求的情况，网络接口和服务器以及存储器也有同样的情况。

基于闪存的设计从问世到现在已经过去了20多年，在串行数据I/O和传输方面达到了一个峰值。简单地用SSD取代硬盘驱动器，然后在传统的SAS（串行连接SCSI）或SATA（串行ATA）接口上微调性能，已不再有效。

当前，最新的技术是非易失性存储器主机控制器接口规范（NVMe），这是一个可扩展的主机控制器接口，与存储协议耦合，加速客户端和/或企业系统之间的数据传输，这些系统使用基于高速PCIe（高速串行计算机扩展总线标准）的固态硬盘（SSD）。

命令和队列

至少有两个主要因素影响SSD性能——命令和队列。传统的SATA设备通常在一个队列中最多支持32个命令；SAS设备在一个队列中最多支持256个命令。下面简要介绍这两种结构的工作原理：

根据预期的工作量和系统配置，主机软件将根据控制器支持的最大值，建立“队列”（可用位或插槽）。通常，这是由核心处理器控制的，并且在数量上受到限制，以避免锁定，并确保根据核心处理器的缓存无障碍地创建数据结构。

一个循环缓冲区，即具有固定插槽大小的提交队列（SQ），被主机用来提交控制器执行的“命令”。每个SQ条目都是一个命令。完成队列（CQ）是另一个具有固定插槽大小的循环缓冲区，用于公布完成命令的状态。队列的数量因应用而异——企业应用队列数从16到128，而客户端队列数量仅为2到8个。两者的块大小都是4kB（采用NVMe协议4kB以上）。

换道和千兆传输

考虑到各种各样的接口机会以及进出连接到总线的设备的I/O的相互依赖，了解PCIe解决方案集的真正含义可能很复杂。计算PCIe带宽可能更具挑战性，特别是在出现像千兆传输（GT/s）这样与速率和速度（如GHz）互换的新术语时。我们将从更简单的角度提供一些关于PCIe演化的介绍性信息，而不是查看每代PCIe的详细信息。

使用PCIe连接的平台不断增加，从第1代（24通道）到第2代（36通道，带宽增加了一倍），到第3代的每通道1GBps的I/O性能。

通道是一种数据传输链路，它由两对线组成——一对用于传输，一对用于接收。消费PCIe插槽可以是1、4、8或16通道。数据包以每周期1比特的速度穿过通道。1个链路（一个通道）每个方向每周期传输1比特（因此每个方向两条线乘以2）。双链路（两个通道）使用8条线，每个方向（每周期）同时传输2比特。随着PCIe迭代，这些数量不断增加。

作为PCIe一代和二代采用8b/10b编码，导致20%的性能开销。编码将8位数据集转换为10位字符集，因此每个通道250MBps带宽只能传输200MBps。当使用来自千兆字节带宽数中的千兆传输参数时，这些数字有一个不均匀的变化，这在一个图表中被很好地呈现，反映编码、传输和速度的关系，用于比较（图2）。

支持第2代的SSD有八通道，在3GBps上传輸；第三代接口的速度提高一倍，单个设备的速度达到6Gbps。编码现在是128b/130b，导致仅1.5%的开销。延迟也降低了，而且还可以直接连接到芯片组或CPU。

还不止于此

AMD在2019年CES上宣布，它将是第一个在企业或桌面（客户端）级别支持PCIe 4.0的公司。具有讽刺意味的是，在今年5月，PCIe 5.0规范（提供的带宽是PCIe 3.0的4倍）甚至在第4代（PCIe 4.0）发布之前就已经发布了。

这能走多远？为什么当第五代基本上具有100GbE（千兆以太网）连接的带宽（相当于每秒大约63GB，16倍速）时，还要继续发展？当然，家庭用户不需要这些值，甚至企业用户也可能质疑这一命题，特别是考虑到他们连接的SSD的限制和交换设备的成本（不管成本不断降低）。

这些数据速率指数增长的一个演进场景是“始终开机”（相对于“始终联网”）的计算平台级场景，这种场景正悄然成形，由于电池寿命的预期，“始终开机”模式似乎在竞争中处于领先地位。对于媒体和娱乐业，例如那些惯常创作UHD/4K内容的机构，存储刷新现在可以占用更少的空间，耗电和冷却要求更低，并比以前的存储解决方案集提高了数倍的性能。

新兴的协议

当前的存储系统的发展基于最新的NVMe协议。将NVMe与多核处理器结合使用有助于消除单独的传统接口所遇到的瓶颈。NVMe为高速访问存储媒体带来了高度可扩展的新功能，这反过来又为包括媒体、视频制作和后期制作在内的数据驱动市场带来了更大的增长。

当你处于更新模式或考虑转到UHD制作时，可看看包含NVMe的存储解决方案，特别是那些再利用现有SSD（你可能已经拥有）的存储解决方案。B&P